Расчеты плавильных и нагревательных печей


    РАСЧЕТЫ ПЛАВИЛЬНЫХ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ



Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Металлургия»



Под общей редакцией профессора Б. М. Соболева




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия»

2022

УДК 621.745.3
ББК 34.651
     Р24

Рецензенты:
Кафедра технологии металлов и литейного производства
ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет»; заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор Ри Хосен; доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией механики деформирования Института машиноведения
и металлургии ДВО РАН В. М. Козин

Авторы:
Б. М. Соболев, Ю. Н. Мансуров, Хейн Вин Зо, С. Б. Марьин



Р24 Расчеты плавильных и нагревательных печей : учебное пособие / [Б. М. Соболев и др] ; под общ. ред. Б. М. Соболева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 140 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0778-6

      Изложены методики расчета горения жидкого, твердого и газообразного топлива, тепловых балансов плавильных и нагревательных печей, рабочего пространства вагранок, электродуговых и индукционных печей, печей для термической обработки и нагрева сплавов под прокатку, ковку. Приведены методики расчета нагрева термически тонких и массивных тел, а также основные положения расчета рекуператоров. Представлены системы огнеупорных футеровок плавильных и нагревательных печей. Изложены некоторые методики выбора теплогенерирующих устройств и их расчет. В приложении подобраны справочные данные, необходимые для расчетов.
      Для студентов, обучающихся по направлениям «Машиностроение» и «Металлургия».

УДК 621.745.3
ББК 34.651






ISBN 978-5-9729-0778-6

   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
   © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ....................................................... 5
1. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО, ЖИДКОГО И ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА........................................................ 7
  1.1. Полное горение топлива.................................. 7
  1.2. Неполное горение твердого и жидкого топлива............ 11
  1.3. Неполное горение газообразного топлива................. 12
  1.4. Задание на расчет горения топлива...................... 14
2. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И РАСХОД ЭНЕРГИИ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС.................................... 15
  2.1. Статьи приходной части теплового баланса............... 15
  2.2. Статьи расходной части теплового баланса............... 17
  2.3. Расчет температуры на границах слоев футеровки......... 21
  2.4. Расчет коэффициента теплоотдачи при свободной
     и вынужденной конвекции.................................. 22
  2.5. Задание на расчет теплового баланса печей.............. 23
3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА
  ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ............................................ 25
  3.1. Расчет основных размеров вагранки...................... 26
  3.2. Выбор воздуходувной установки.......................... 28
  3.3. Расчет сифонного шлакоотделителя вагранки.............. 29
  3.4. Расчет электродуговой сталеплавильной печи............. 30
  3.5. Расчет индукционной печи............................... 37
  3.6. Топливные тигельные печи и печи сопротивления для плавки цветных сплавов............................................. 42
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ.......................................... 45
  4.1. Основные положения расчета печей периодического действия .... 48
  4.2. Температуры нагрева и термообработки................... 48
  4.3. Садка и производительность печей периодического действия.     49
  4.4. Тепловой баланс и удельный расход тепла для печей
     периодического действия.................................. 49
  4.5. Расчет нагревательных колодцев......................... 50
  4.6. Расчет камерных печей.................................. 52
5. РАСЧЕТ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ...................................................... 55
  5.1. Назначение и общая характеристика печей................ 55
  5.2. Температура нагрева металла............................ 56
  5.3. Режимы нагрева металла................................. 56
  5.4. Температуры газов и кладки............................. 57
  5.5. Поперечные размеры рабочего пространства............... 59
  5.6. Теплообмен в рабочем пространстве непрерывной
      нагревательной печи..................................... 59

3

  5.7. Выбор расчетных участков................................ 60
  5.8. Расчетная схема нагрева металла......................... 60
  5.9. Последовательность расчета нагрева металла.............. 61
  5.10. Расчетная часовая производительность и садка печи...... 63
  5.11. Длина полезного пода печи.............................. 63
  5.12. Длина габаритного пода, площадь и напряжение пода печи.       66
  5.13. Тепловая мощность печи, расход топлива и удельный расход тепла................................................ 67
6. ПЕЧИ ДЛЯ СУШКИ.............................................. 69
  6.1. Максимально допустимый коэффициент расхода воздуха...... 71
  6.2. Объем воздуха и рециркуляция газов...................... 72
  6.3. Расчет распределительного канала........................ 72
  6.4. Тепловой и аэродинамический расчет печи с кипящим слоем.       75
7. НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕЛ..................................... 78
  7.1. Теплотехнически тонкие и массивные тела................. 78
  7.2. Варианты расчета нагрева и охлаждения тел............... 79
  7.3. Расчет нагрева и охлаждения теплотехнически тонких тел..       80
  7.4. Расчет нагрева и охлаждения теплотехнически массивных тел .... 83
8. СИСТЕМЫ ОГНЕУПОРНЫХ ФУТЕРОВОК ПЕЧЕЙ......................... 88
  8.1. Системы огнеупорных футеровок камерных нагревательных печей, работающих на газе................................... 88
  8.2. Системы огнеупорных футеровок электрических камерных печей.............................................. 91
  8.3. Огнеупорные футеровки вагранок.......................... 92
  8.4. Огнеупорные футеровки электродуговых плавильных печей... 93
  8.5. Огнеупорные футеровки индукционных тигельных печей...... 95
9. ВЫБОР ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И ИХ РАСЧЕТ ..                   98
  9.1. Расчет электрических нагревателей печей сопротивления... 98
  9.2. Расчет металлических нагревателей...................... 100
  9.3. Расчет карборундовых нагревателей...................... 100
  9.4. Расчет топок........................................... 101
  9.5. Выбор и расчет форсунок................................ 102
  9.6. Выбор и расчет горелок................................. 102
  9.7. Расчет дымовой трубы................................... 103
10. РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТОРОВ...................................... 106
  10.1. Общая характеристика рекуператоров.................... 106
  10.2. Основные положения расчета рекуператоров.............. 108
  10.3. Расчет керамических рекуператоров..................... 112
  10.4. Расчет металлических рекуператоров.................... 113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................... 119
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................... 120
ПРИЛОЖЕНИЕ. СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.............................. 122

4

            ВВЕДЕНИЕ



     Назначение печи состоит в передаче тепла технологическим материалам. Процессы тепловыделения, движения печной среды и теплообмена в печном агрегате находятся в тесной взаимосвязи.
     Совокупность процессов теплообмена, происходящих в рабочем пространстве печи обычно при помощи движущейся печной среды, называют тепловой работой печи. Её подразделяют на полезную, которая представляет собой передачу тепла технологическим материалам, и потерянную, включающую все иные виды потребления тепла.
     Теплотехнические расчеты выполняются с целью конструирования новой печи или выяснения изменений, которые произойдут в тепловой работе существующей печи при переходе к другим условиям эксплуатации. Все теплотехнические расчеты основаны на теории теплопроводности и закономерностях внешнего теплообмена, учитывающих процессы тепловыделения и движения печной среды. На внешний теплообмен в основном влияет конструкция печи, поскольку ею полностью или частично определяются: источник и способ передачи тепла; интенсивность тепловыделения и распределение тепла; соответствующие изменения во времени и пространстве температуры печной среды и обрабатываемых материалов; характер движения печной среды, включая распределение давления.
     По технологическому признаку печи литейных цехов делят на плавильные и нагревательные.
     Плавильные печи предназначены для получения сплавов заданного химического состава и температуры, они подразделяются на печи для плавки чугуна, стали, цветных сплавов, специальные печи.
     Нагревательные печи подразделяют на печи для термообработки отливок и печи для сушки форм, стержней, песка и глины. По конструкции нагревательные печи подразделяются на камерные и методические.
     В камерных печах нагреваемый материал неподвижен, поэтому конструкция их должна обеспечить одинаковое условие передачи тепла во всех точках пространства.
     В методических печах нагреваемый материал движется навстречу нагревающим его газам, или в одном направлении с ними, или при комбинации прямотока и противотока, а также при поперечном по отношению к направлению движения материалов вводе газов. В методических печах не требуется создавать одинаковых условий нагрева во всем рабочем про-странстве. Необходим только одинаковый нагрев материала в поперечных сечениях печного канала, перпендикулярных направлению движения материалов.

5

     Для расчета печи должны быть заданы температурные режимы в соответствии с предполагаемым технологическим процессом. Затем производятся расчеты, необходимые для определения рабочего пространства, в соответствии с производительностью печи; определяют необходимые неизвестные температуры материала, рабочего пространства, дымовых газов; рассчитывают тепловой и газодинамический режимы; выбирают материалы и толщины стенок, а также тип и размеры топливосжигающих устройств, теплообменных аппаратов и других элементов печей. Методика и примеры расчетов печей и их отдельных элементов приведены в литературе [1-3] и в настоящем пособии.

6

ГЛАВА 1



            РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО, ЖИДКОГО И ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА


    1.1. Полное горение топлива

      Исходными данными для расчета являются вид топлива, конструкция со-жигательного устройства, температура подогрева воздуха и топлива, содержание кислорода в дутье. Состав жидкого и твердого топлива задается в справочниках в виде органической, горючей, сухой или рабочей массы.
      Расчет горения твердого или жидкого топлива производится обычно для рабочего состава топлива. Пересчет на рабочий состав топлива с любого другого состава производится по формулам
X =Х (1 - 0,01(8р + Aр + 1Г); Хр = X (1 - 0,01(Aр + W);
Хр = Хс (1 - 0,01 W),
где X, X, X, X - содержание какого либо элемента в рабочей, органической, горючей или сухой массах соответственно, %; 5'р, Aр, W - содержание серы, золы, влаги, соответственно, в рабочей массе топлива, %.
      Состав газообразного топлива задается в виде процентного соотношения составных частей смеси.
      В некоторых случаях сжигается смесь газов известного состава в заданном соотношении по объему. В этом случае низшую теплоту сгорания смеси можно определить из выражения
Q рн(см) = Q рн(2) - a (Q рн(2) - Qрн(1)),
где Qрн(см), Qрн(1), Qрн(2) - низшие теплоты сгорания смеси, первого и второго газов, кДж/кг, при этом Qрн(2) > Qрн(1). В других случаях требуется определить долю первого газа в смеси, если задано значение Qрн(см). При этом Qрн(2) > Qрн(см)>Qрн(2); a = (Qрн(2) - Qрн(см))/(Qрн(2) - Qрн(1)) - доля первого газа в смеси.
      Состав смеси находят как сумму произведений содержания соответствующих компонентов в первом и втором газе на доли этих газов смеси:
Э1 (см) = a3i (1) + (1 - a)3i (2),
где Эг (см), Эг (1), Эг (2) - содержание элемента топлива в смеси, первом и втором газе соответственно. Составы некоторых видов топлива приведены в приложении (табл. П1 - П2).
      Низшая теплота сгорания топлива определяется по формулам Д. И. Менделеева:

7

     •  для твердого и жидкого топлива
Qрн = 340 Ср + 1030 Hp- 109(Op- Sp) - 25 Wp;
     •  для газообразного топлива
Q рн=358CH4 + 590C2H4+ 6З8С2Н6+ 913СзН8+ II87C4H10+ 127,7CO +
+ 108H2+ 1461С5Н12+ 712C n H m + 234H2S,
где Q рн - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг, кДж/м³; Cp, Hp, Sp, Op, Wp -содержание соответствующего элемента в рабочем составе твердого или жидкого топлива, % по массе; CH4 , C2H4, C2H6... CnHm - содержание соответствующего элемента в составе газообразного топлива, % по объему.
     Теоретический расход кислорода, необходимого для сжигания единицы твердого и жидкого топлива V” 02, м³/кг:
V” 02 = 0,01(1,867Cp + 5,55Hp+ 0,698(Sp - Op));
для газообразного топлива, м³/м³:
V” O2 = 0,01(0,5(C0 + H2+ 3H2S) + 2CH4+ 3C2H4+ 3,5C2H6 +
+ 5C₃H8+ 6,5C4H1c+ (m +(n/4)) C m H ₙ ).
     Действительный объем сухого воздуха, необходимого для сжигания единицы топлива, м³/кг (м³/м³), равен:
L а = (1 + k) а V” O2,
где k - доля кислорода в воздухе (k = N2/O2, при N2 = 79 % и O2 = 21 % k = 3,672); а - коэффициент избытка или расхода воздуха (для газообразного топлива его выбирают в пределах 1,05...1,15, для жидкого - 1,15...1,25, для твердого 1,2...1,3); V”02 - теоретический расход кислорода на сжигание соответствующего топлива м³/кг, м³/м³.
     Массовое количество воздуха, кг/ м³: L м = 1,293 L а.
     Качественный состав продуктов сгорания (дыма) одинаков при сжигании всех видов топлива и состоит из СО2, Н2О, SO2, N2, O2. Количество продуктов полного сгорания для каждой составляющей определяется по следующим формулам:
     •  для твердого и жидкого топлива, м³/кг
V3O2 = 0,0187 Cp; V502 = 0,007 Sp; V02 = (а - 1) V32;
VN2 = 0,008Np+ а kVm 02;
VH2O = 0,1112Hp + 0,0124Wp + 0,775 L ₐ d;

8

     •  для газообразного топлива, м³/м³
V3O2 = 0,01(CO + CO2+ CH4 + 2C2H4+ 2C2H6+ ЗС3Н8+ 4C4H10 m CmHₙ);
VS02 = 0,01(SO2+ H2S); V02 = (a - 1) Vm02; VN2 = 0,008Np + akVm02;
VH2O = 0,01(H2O + H2+ H2S + 2CH4+ 2C2H4+ 3C2H6+ 4C3H6+ 5C4H10) +
+ 0,775 Lₐd,
где d - влагосодержание воздуха, кг/м³. Практически влагосодержание воздуха может быть принято в пределах 0,009...0,016 кг/м³.
      Общее количество продуктов сгорания при полном сжигании единицы топлива (при a > 1) определяется выражением, м³/кг или м³/м³
Vд = VCO2 + VH2O + VSO2 + VN2 + V02 + VCO.
      Состав влажных продуктов сгорания в объёмных процентах определяется по выражениям, %:
СО2= 100 V3O2/ V,; H2O = 100 Vh2o/ V,; SO2= 100 VW V,;
N2 = 100 VN2/V,; 02= 100 V02/ V,; CO = 100 Vco/ V,.
      Состав сухих продуктов сгорания в объёмных процентах определяется по выражениям, %:
СО2= 100 VCO2 / ( V, - VH2O); SO2= 100 VSO2/( V, - VH2O);
N2= 100 VN2/( Vд - VH2O); 02= 100 V02/( V, - VH2O);
CO = 100 V20/(V, - VH2O).
     Плотность продуктов сгорания рассчитывается с учетом их состава:
Рл = (0,44 СО2+ 0,36СО + 0,18Н2О + 0,28N2 + 0,3202+ 0,64SO2)/22,4,
где рд - плотность продуктов сгорания, кг/м³; СО2, СО, Н2О, N2, O2, SO2 - содержание соответствующего газа в продуктах сгорания, % по объему.
      Калориметрическую температуру определяют из условия полного сгорания топлива и использования всего выделившегося при горении тепла только на повышение температуры продуктов сгорания при адиабатных условиях (отсутствии теплообмена с внешней средой) и коэффициенте избытка воздуха, равном единице.
      При подогретом воздухе и топливе калориметрическую температуру определяют по выражению
tк = (Q рн + Q ф)/( Vд C),

9

где Qф - физическое тепло подогретого воздуха и топлива, кДж/кг; Vд - объем продуктов сгорания, образующихся при сжигании единицы топлива, м³/кг, м³/м³; Cv - удельная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(м³-°С).
      Физическое тепло, вносимое подогретым топливом и воздухом, из расчета на единицу топлива:
                            Qф = Cт tт + Cв tв, где Cт, Cв - удельная теплоемкость топлива и воздуха, соответственно, при температуре подогрева кДж/(м³-К); tт, tв - температура подогрева топлива и воздуха, соответственно, °С.
      Определить теплоемкость продуктов сгорания Cv затруднительно, так как удельные теплоёмкости отдельных составляющих продуктов сгорания зависят от температуры, которую и необходимо определить.
      Для инженерных расчетов калориметрической температуры используют приближенный метод, сущность которого состоит в том, что для продуктов сгорания конкретного состава каждому значению энтальпии in соответствует конкретная температура.
      При известных значениях Qрн, Qф, Vд определяют значение этой энтальпии продуктов сгорания
in = (Q рн + Q ф)/ V,.
      Задаются приближенно температурой продуктов горения 11 и определяют соответствующую ей энтальпию in (1)
in (1) Cvti'11.
      Среднюю удельную теплоемкость продуктов сгорания ( Cv), состоящих из отдельных компонентов, определяют как сумму удельных теплоемкостей отдельных компонентов, умноженных на долю этих компонентов в продуктах сгорания:
Cvtl = 0,01 (CCO2-CO2 + CCO’CO + CH2O’H2O + CSO2-SO2 + CN2-N2 + CO2- O2),
где Cco2, Cco, CH2O ... и т. д. - средние удельные теплоёмкости компонен-тов продуктов сгорания, кДж/(м³-К) при t1; CO2, CO, H2O, SO2, Nj,O2 - содержание составляющих в продуктах сгорания, % по объему.
      Значения средней удельной теплоемкости компонентов продуктов сгорания приведены в литературе [1 - 3] и в приложении (табл. П3 - П5).
      Задаются температурой 12 и по формуле in<₂₎ = Cvt₂ 1₂ определяют энтальпию in (2) при температуре 12.

10

Cv₂ = 0,01 (CCO,'-CO' + CCO-CO + CH2O-H2O + C SO2’SO2 +
+ CN2-N2 + C02*01),
где Cco2, Cco, CH2O ... и т. д. - средние удельные теплоёмкости компонен-тов продуктов сгорания, кДж/(м³-К) при 12; CO2, CO, H2O, SO2, N2 ,O2 - содержание составляющих в продуктах сгорания, % по объему.
      Температуру 12 выбирают так, чтобы она отличалась от предыдущей 11 на 100 °C и чтобы выполнялось условие in(1) < in < in(2).
      Затем интерполяцией определяют калориметрическую температуру
tк = 12 - (in(2) - in)(12 - 11)/(in(2) - in(1)).
      Действительную температуру в топке или печи определяют с учетом потерь на диссоциацию и теплопередачу в окружающую среду
td = 71 tк,
где 71 - опытный пирометрический коэффициент, зависящий от конструкции топливосжигающих устройств или печи (71 = 0,62...0,82). Для туннельных печей закрытой конструкции 71 = 0,75...0,82; для проходных печей 71 = 0,72...0,76; для камерных печей 71 = 0,62...0,70.

    1.2. Неполное горение твердого и жидкого топлива

      Твердое топливо сжигают с коэффициентом расхода воздуха а < 1 с целью газификации его в газогенераторах или полугазовых топках. Жидкое топливо - мазут иногда газифицируют перед сжиганием в газификаторах (пред-топках циклонного типа и т. п.).
      При расчете неполного горения топлива учитывают долю топлива, сгорающего с образованием оксида углерода CO. Неполное горение твердого топлива (кокса) имеет место в вагранках, в которых содержание CO в дымовых газах достигает 8...18 % по объему.
      Доля углерода кокса в количестве ун сгорает в оксид углерода CO, другая часть в количестве (1 - ун) в оксид углерода CO2. Величину ун можно вычислить, зная (или задаваясь) содержание оксида углерода CO,%, в дымовых газах и общее количество дымовых газов V₅:
у„ = 126 CO V, / (235 Ср).
      Расчетные формулы для неполного сгорания углерода при а < 1 имеют следующий вид:

11

     •  расход кислорода на сгорание 1 кг кокса, м³/кг
V”02 = 0,01(1,867(1 - у„) Ср + 0,6985р + 0,933 у„ Ср +
+ 5,55Нр + 0,698 Ор;
     •  количество трехатомных газов, м³/кг
V202 = 0,0187 (1 - у„) Ср; VSO2 = 0,00699 5р;
     •  количество оксида углерода СО, м³/кг
Vго = 1,867 у„ Ср;
     •  количество азота, м³/кг
VN2 = 0,008Np + k V”02;
     •  количество водяных паров, м³/кг
VH2O = 0,112 Hp + 0,0124 Wp + 0,0161 k V”02.
     Коэффициент расхода воздуха при неполном сжигании кокса
а = 1 - 0,0144 СО,
где СО - содержание оксида углерода в продуктах сгорания, % по объему.
     Низшая теплота сгорания твердого топлива при неполном сжигании Q рнн равна:
Q рнн = 336,66 Ср (1 - у„) + 99,16Ср+1040Нр - 109(Ор - 8р) - Wp.
     Расчет объема и состава, а также плотности и температуры продуктов сгорания (дыма) проводится по методике, изложенной в подразд. 1.1 для процесса полного горения твердого и жидкого топлива.

    1.3. Неполное горение газообразного топлива

     Неполное горение организуется с целью самокарбюрации природного газа для разложения углеводородов с выделением сажистого углерода и последующего сжигания в светящемся факеле, для получения защитной атмосферы в печах для безокислительного нагрева.
     Расчет неполного горения газа ограничивается расчетом процесса диссоциации СО2 и Н2О, происходящего по схеме:
2Н2О о 2Н2 + О2;   2СО2 о 2СО + О2.
     При а <1 содержание кислорода в продуктах сгорания равно нулю, и константа равновесия приведенных реакций диссоциации равна:

12